低滲煤層孔裂隙特征結(jié)構(gòu)表征與滲流指標(biāo)相關(guān)性研究*

申文邁,范 楠,鄧存寶,譙永剛,姚文軍,王鴻宇,杜倩如,原振淇

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 晉中 030600)

0 引言

我國是世界第一大煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國,在相當(dāng)長的時期內(nèi),我國以煤為主要消費(fèi)能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變。安全是煤礦開采過程中的頭等大事,煤礦開采過程中,為了保障安全生產(chǎn),從噸煤成本中提取一定的安全費(fèi)用,用于支持瓦斯的先抽后采。抽采瓦斯既能消除安全生產(chǎn)中的安全隱患,又能達(dá)到利用潔凈能源的目的。王雅菲等[1]關(guān)于《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的解讀一文中指出,要開展陸上非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān),加大油氣田勘探開發(fā)。制約瓦斯抽采效果的主要因素是煤層滲透性。我國煤層大多屬于低滲煤層,相關(guān)研究表明,我國的煤層滲透率比國外的煤層滲透率要低1～2個數(shù)量級[2-3]。經(jīng)過多年的大規(guī)模開采,煤層開采由淺部向深部轉(zhuǎn)移[4],煤層低滲特性愈發(fā)明顯,導(dǎo)致我國瓦斯抽采難度大、效率低。

煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)是瓦斯賦存和運(yùn)移的主要場所,其發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)特征、空間分布直接影響著煤體對瓦斯的吸附解吸特性和滲流能力。研究煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu),可為瓦斯治理和利用提供理論指導(dǎo),對認(rèn)識煤體滲透性和煤層氣開發(fā)有重要意義。郭海軍等[5]研究表明,孔裂隙結(jié)構(gòu)直接影響著煤層氣在煤樣中的滲流特性。目前表征孔裂隙結(jié)構(gòu)的方法有2類,即流體流動法和輻射法。流體流動法有壓汞法[6]、低溫氮?dú)馕椒╗7]、CO2吸附法[8]等;輻射法有掃描電子顯微鏡(SEM)[9]、透射電子顯微鏡(TEM)[10]、核磁共振(NMR)[11]、微米CT、X射線小角散射(SAXS)[12]等。上述方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn),壓汞法操作簡單,識別范圍廣,但有可能破壞孔裂隙結(jié)構(gòu);氮?dú)?CO2吸附法能分析煤體的微孔、小孔,但測試時間長,不能分析濕樣品;SEM/TEM可分析煤樣表面及內(nèi)部的2D信息,但不能實現(xiàn)3D可視化;核磁共振(NMR)是1種快速、非破壞性的表征多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的方法,但對大孔的識別效果差;X射線小角散射(SAXS)主要分析煤樣的小孔和中孔,但不能分析孔結(jié)構(gòu)中的大孔。微米CT是1種無損檢測技術(shù),可用于觀察煤樣中的中孔、大孔及裂隙結(jié)構(gòu),實現(xiàn)煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的3D可視化[13-16]。

本文對取自沙曲一礦低滲煤層的煤樣進(jìn)行微米CT掃描,為得到煤樣中的大孔及裂隙空間分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)特征,將切片導(dǎo)入三維可視化軟件Avizo中,對煤樣進(jìn)行三維重構(gòu),統(tǒng)計分析孔裂隙的寬度、長度、體積等參數(shù),通過孔裂隙分離、標(biāo)記篩分等操作得到煤樣的孔隙模型和裂隙模型。基于連通孔裂隙模型建立具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的骨架化模型和等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,得到等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型中的喉道長度、寬度和孔隙半徑、面積、配位數(shù)等參數(shù)。通過數(shù)據(jù)擬合探究孔裂隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與滲流特性指標(biāo)之間的關(guān)系。

1 CT掃描試驗

1.1 樣品

樣品取自華晉焦煤沙曲一礦5#煤層,煤層平均厚度3.3 m,瓦斯含量為11.16 m3/t,采用鉆孔徑向流量法測得5#煤層透氣性系數(shù)為1.78～3.785 m2/(MPa2·d),滲透率是0.05～0.056 mD,屬低滲煤層。自5501工作面采集的大塊煤樣,用保鮮膜密封煤樣,用鉆芯鉆取設(shè)備將煤樣加工成直徑50 mm、高100 mm的圓柱煤樣。

1.2 CT掃描試驗系統(tǒng)

本文采用太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院的GE Phoenix V|tome|X S240 CT檢測設(shè)備。設(shè)備搭載透射和直射2類X射線管,可識別的最小體素為1 μm,幾何放大倍率為1.46～400 X,探測器為DXR-250平板探測器,該探測器由2 048像素×2 048像素組成,像素間距為200 μm。

掃描射線管電壓130 kV,電流120 μA。掃描過程中,樣品固定在樣品臺上,距射線管250 mm,距探測器約950 mm,采用整體掃描的方式,掃描速率為0.36°/幅,樣品臺旋轉(zhuǎn)360°,探測器共得到投影圖像1 000張,單次掃描時間3 s,共耗時約50 min。單張圖像曝光時間為1 000 ms,圖像放大倍率為3.8 X。共獲取986像素×990像素的切片2 022張,空間分辨率為53.13 μm/體素,所以只能看到53.13 μm以上的孔隙。

2 煤樣孔裂隙結(jié)構(gòu)表征

2.1 圖像處理與閾值分割

由于樣品在制備過程中邊緣會被破壞,影響對孔裂隙的表征。因此,選擇連續(xù)的1 600張切片,裁剪成986像素×990像素的圖片。分水嶺分割法是1種常見的閾值分割方法。通過分水嶺分割法對得到的CT圖像進(jìn)行閾值分割,得到的結(jié)果更穩(wěn)定。設(shè)置2個不連通的區(qū)域為盆地,2個盆地的水以均勻的速度上升至溢出,為了阻止水的匯聚,在2個盆地之間建1條分水線,最終圖像被分為2個像素集,即注水盆地像素集和分水嶺像素集,對于孔裂隙和煤基質(zhì)而言,注水盆地像素集即為孔裂隙;對于煤基質(zhì)和礦物質(zhì)而言,煤基質(zhì)就是注水盆地像素集。閾值分割的結(jié)果如圖1所示,未處理的原始切片數(shù)據(jù)如圖1(a)所示,圖像閾值分割三值化切片如圖1(b)所示。其中,紅色即為孔裂隙,藍(lán)色表示礦物質(zhì),白色的是煤基質(zhì)。

圖1 閾值分割Fig.1 Threshold segmentation

2.2 煤樣孔裂隙三維重構(gòu)與結(jié)構(gòu)表征

將CT掃描得到的原始切片數(shù)據(jù)空間堆疊,通過降噪、圖像處理、閾值分割等方法得到測試樣品的三維數(shù)據(jù)體,通過Volume-fraction模塊可計算煤樣的孔隙率,煤樣孔裂隙體積分?jǐn)?shù)及孔隙率如表1所示。運(yùn)用孔裂隙標(biāo)記、分離篩分等操作提取得到孔隙模型與裂隙模型,完成對孔裂隙結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu),三維重構(gòu)過程如圖2所示。對提取的孔裂隙模型進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計,得到孔裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)信息,主要包括表面積、體積、長度、形狀因子等,統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表1 煤孔裂隙體積分?jǐn)?shù)及孔隙率Table 1 Volume fraction and porosity of coal pore fracture

表2 孔裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of pore fracture

圖2 孔裂隙結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)過程Fig.2 3D reconstruction process of pore fracture structure

由表1可知,裂隙對煤孔隙率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔隙。由表2可知,孔隙與裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)量級相差較大,其中裂隙的體積與表面積都比孔隙大1到3個數(shù)量級。這說明裂隙在煤的滲透系統(tǒng)中起決定作用。

統(tǒng)計得到煤孔隙共有195 835個,孔隙在直徑、寬度、體積上的分布如圖3所示?？讖椒矫?沙曲一礦煤樣孔徑集中分布在(0,200) μm,尤其是在[53.13,100) μm的大孔,占孔隙總數(shù)量的44.3%;部分孔徑分布在[200,500) μm內(nèi),占比為13.0%?？紫秾挾确矫?88.9%的孔隙分布在[53.13,200) μm,其中[53.13,100) μm的孔隙最多,占總孔隙數(shù)的51.7%?？紫扼w積方面,44.3%的孔隙體積在(0,0.5×106) μm3。

圖3 孔隙分布直方圖Fig.3 Histogram of pore distribution

將煤樣的裂隙結(jié)構(gòu)從孔裂隙數(shù)據(jù)體提取出來,得到裂隙共有2 120個。裂隙在長度、寬度、體積上的分布如圖4所示。在裂隙長度方面,裂隙集中分布在[1,2.5) mm,長度在[1.5,2.0) mm的裂隙最多,占總裂隙的28.7%,長度大于2 mm時,裂隙數(shù)緩慢下降;在裂隙寬度方面,寬度在[0.5,1.0) mm的裂隙最多,占總裂隙的58.7%;裂隙體積方面,裂隙集中分布在(0,0.2) mm3,占總裂隙的63.5%,且在(0,0.1) mm3和[0.1,0.2) mm3的裂隙數(shù)十分接近,分別有662,685條。

圖4 裂隙分布直方圖Fig.4 Histogram of fracture distribution

根據(jù)范楠提及的裂隙分類方法[15],可將提取出的2 120條裂隙分為2條宏觀大裂隙(10 mm<孔隙寬度≤100 mm),618條細(xì)觀中裂隙(1 mm<孔隙寬度≤10 mm)、1 500條微觀小裂隙(0.1 mm<孔隙寬度≤1 mm)。本次研究中的宏觀大裂隙的長度都在50 mm以上,其中有1條長約97 mm的裂隙,基本貫穿整個煤樣;細(xì)觀中裂隙的長度在[1,25) mm之間;微觀小裂隙的長度在[0.5,7) mm,數(shù)量最多,占總裂隙的70.1%。整體來看,煤樣的連通性較差,不利于氣體的運(yùn)移和產(chǎn)出。

2.3 煤樣等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)是1種真實反映煤樣內(nèi)部孔裂隙空間分布及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型,又稱球棒模型,其中球代表孔隙,棒代表喉道。在孔裂隙模型基礎(chǔ)上,通過Axis-Connectivity模塊、Separate-Objects模塊得到煤樣連通孔裂隙模型,運(yùn)用PNM模塊得到等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,過程如圖5所示。通過提取PNM模型可以統(tǒng)計孔隙半徑、面積、體積、配位數(shù)和喉道半徑、面積、長度等參數(shù)。

圖5 等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)骨架化模型Fig.5 Equivalent pore fracture network model and skeletonized model of topology structure

通過構(gòu)建球棒模型,可以清楚地看到煤樣孔裂隙的空間分布。統(tǒng)計孔裂隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù),孔隙數(shù)目為557個,喉道數(shù)目為1 024個,具體的微觀參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Parameter statistics of pore and fracture network model

通過孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的孔隙及喉道分布如圖6所示。由圖6可知,沙曲一礦樣品孔隙半徑主要分布在[0.4,0.8) mm,其中[0.5,0.6) mm孔隙最多,占總孔隙的16.9%。喉道是煤體孔裂隙滲流的主要通道,喉道長度集中分布在[0.6,6) mm,占喉道總數(shù)的85.8%;半徑分布在[0.1,0.3) mm的喉道最多,喉道半徑大于0.2 mm的喉道數(shù)量逐漸降低。配位數(shù)是衡量煤體孔隙連通性的指標(biāo),配位數(shù)越大,孔隙連通性能越好,由圖6(c)可知,配位數(shù)集中在1～3,峰值為2,說明大部分孔隙與1～3個孔隙相連;配位數(shù)大于2,孔隙數(shù)量緩慢降低;配位數(shù)≤1,孔隙連通性較差。

圖6 孔隙及喉道分布Fig.6 Pore and throat distribution

2.4 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與滲流特性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析

基于閾值分割后的三維數(shù)據(jù)體,添加Label-Analysis模塊對孔裂隙進(jìn)行定量分析,獲取孔裂隙的形狀因子。在孔裂隙模型的基礎(chǔ)上,使用Auto-Skeleton模塊可生成骨架化模型,然后通過Spatial Graph-Statistics模塊可統(tǒng)計孔裂隙的迂曲度。通過結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與滲流特性參數(shù)擬合,探究煤樣孔裂隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和滲流特性指標(biāo)之間的相關(guān)性。本文通過形狀因子與孔隙直徑非線性擬合,發(fā)現(xiàn)形狀因子與孔隙直徑呈正相關(guān),如圖7(a)所示,符合指數(shù)分布,擬合曲線方程為y=2.89×10-7x2.7,說明孔裂隙直徑越大,邊界越光滑;通過迂曲度與孔隙直徑、孔喉比與配位數(shù)非線性擬合,發(fā)現(xiàn)迂曲度與孔隙直徑,配位數(shù)與孔喉比均呈負(fù)相關(guān),符合Logistic分布,如圖7(b)～圖7(c)所示,說明孔隙直徑越大,氣體運(yùn)移路徑的彎曲程度越小,沿途阻力越小;孔喉比越大,孔隙連通性越差。

圖7 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與滲流特性指標(biāo)擬合曲線Fig.7 Fitting curves of structural characteristic parameters and seepage characteristic indexes

3 結(jié)論

1)沙曲一礦低滲煤樣裂隙占樣品總體積的88%,孔隙占樣品總體積的12%;孔徑主要分布在(0,200) μm,以[53.13,100) μm的大孔為主;裂隙分為3個類型,以長度在[0.5,7) mm的小裂隙為主,整體連通性較差?？紫斗植驾^為均勻,裂隙集中分布在煤樣的邊緣。

2)基于連通孔裂隙模型,構(gòu)建具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的煤樣骨架化模型和等效孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,統(tǒng)計孔隙半徑、配位數(shù)和喉道半徑,長度等參數(shù),其孔隙半徑集中分布在[0.4,0.8) mm,喉道半徑以[0.1,0.3) mm的細(xì)喉道為主,孔喉比較大,滲流能力弱,長度大多大于2 mm,且連通路徑單調(diào),不利于氣體運(yùn)移。

3)通過數(shù)據(jù)擬合,發(fā)現(xiàn)形狀因子與孔隙直徑呈正相關(guān),符合指數(shù)分布,方程表達(dá)式為y=2.89×10-7x2.7;迂曲度與孔隙直徑、配位數(shù)與孔喉比都呈負(fù)相關(guān),符合Logistic分布,方程表達(dá)式分別為y=1.09+2.55/(1+(x/100)381.36)、y=0.82+22.8/(1+(x/0.21)1.38)。